《半导体的基本知识》PPT课件
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目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材 料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高 的电子迁移率等特点，使得化合物半 导体在光电子器件和高速电子器件等 领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素，改变其导电 性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质 来调控，从而实现电子和空穴的平衡，是制造晶体管、集成 电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流 子浓度等，从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器 件性能至关重要，直接影响最终产品 的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料，硅基半导体 在集成电路、微电子等领域应用广泛。 随着技术的不断发展，硅基半导体的 性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步，其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅 片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤，最终得到可用于后 续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要，因此制备过程中需严格控制 工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入 标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术，通过一系列的 工艺步骤，将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在 一块硅片上，形成复杂的电路。
目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材 料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高 的电子迁移率等特点，使得化合物半 导体在光电子器件和高速电子器件等 领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素，改变其导电 性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质 来调控，从而实现电子和空穴的平衡，是制造晶体管、集成 电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流 子浓度等，从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器 件性能至关重要，直接影响最终产品 的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料，硅基半导体 在集成电路、微电子等领域应用广泛。 随着技术的不断发展，硅基半导体的 性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步，其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅 片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤，最终得到可用于后 续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要，因此制备过程中需严格控制 工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入 标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术，通过一系列的 工艺步骤，将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在 一块硅片上，形成复杂的电路。
半导体基本知识(PPT课件)
– 多子：掺杂（主）+热激发 – 少子：热激发（主）
PN结的形成
• 多子扩散运动形成耗尽层
– 空穴浓度： P区>N区；自由电子：P区<N区 – 多子由浓度高—>浓度低扩散，扩散到对方复合，交界区
仅剩正负离子形成耗尽层/阻挡层/空间电荷区/内电场EIN。
• 少子漂移运动
– 内电场的存在，阻止了多子的扩散，P区的少子——电子， N区少子——空穴， 内电场作用下向对方移动——漂移。
• 难点：
– １、载流子运动规律与器件外部特性的关系。 只须了解，不必深究
自由电子与空穴成对出现/复合
杂质半导体
• 杂质半导体：
– 在本征半导体中掺入微量杂质。 – 导电性能发生变化
• N型半导体 • P型半导体
N型半导体/电子型半导体
• 定义：硅晶体中掺入五价元素（磷、锑） • 自由电子（多子）：掺杂+热激发 • 空穴（少子）：热激发
P型半导体/空穴型半导体
• 定义：硅晶体中掺入三价元素（硼、铟） • 自由电子（少子）：热激发 • 空穴（多子）：掺杂+热激发 • 总结：
输出特性曲线
• 截止区：ＵBE＜UON iB≈0,iC≈0 • 放大区：ＵBE≥UON （硅： 0.5V；锗：
0.3V）IC=βIB • 饱和区：ＵBE＞UON IＢＳ＞IＣＳ／β
截 止 区
三极管主要参数
• 共发射极电流放大系数β • 集电极-发射极击穿电压UCEO • 集电极最大电流ICM • 最大功率PCM • 特征频率fT • 集电极-发射极饱和压降UCES
二极管分析
• 1、分析二极管的状态：是导通还是截止—— 二极管的两端电压：若是反偏则截止；若是 正偏还要看P的电压是否比N的电压高Uon （导通电压）是则导通，否则截止。若是理 想二级管，Uon=0V。 2、二极管导通则相当于一导线（理想状态） 或一个小电阻（非理想状态）；截止则相当 于断开的开关。
PN结的形成
• 多子扩散运动形成耗尽层
– 空穴浓度： P区>N区；自由电子：P区<N区 – 多子由浓度高—>浓度低扩散，扩散到对方复合，交界区
仅剩正负离子形成耗尽层/阻挡层/空间电荷区/内电场EIN。
• 少子漂移运动
– 内电场的存在，阻止了多子的扩散，P区的少子——电子， N区少子——空穴， 内电场作用下向对方移动——漂移。
• 难点：
– １、载流子运动规律与器件外部特性的关系。 只须了解，不必深究
自由电子与空穴成对出现/复合
杂质半导体
• 杂质半导体：
– 在本征半导体中掺入微量杂质。 – 导电性能发生变化
• N型半导体 • P型半导体
N型半导体/电子型半导体
• 定义：硅晶体中掺入五价元素（磷、锑） • 自由电子（多子）：掺杂+热激发 • 空穴（少子）：热激发
P型半导体/空穴型半导体
• 定义：硅晶体中掺入三价元素（硼、铟） • 自由电子（少子）：热激发 • 空穴（多子）：掺杂+热激发 • 总结：
输出特性曲线
• 截止区：ＵBE＜UON iB≈0,iC≈0 • 放大区：ＵBE≥UON （硅： 0.5V；锗：
0.3V）IC=βIB • 饱和区：ＵBE＞UON IＢＳ＞IＣＳ／β
截 止 区
三极管主要参数
• 共发射极电流放大系数β • 集电极-发射极击穿电压UCEO • 集电极最大电流ICM • 最大功率PCM • 特征频率fT • 集电极-发射极饱和压降UCES
二极管分析
• 1、分析二极管的状态：是导通还是截止—— 二极管的两端电压：若是反偏则截止；若是 正偏还要看P的电压是否比N的电压高Uon （导通电压）是则导通，否则截止。若是理 想二级管，Uon=0V。 2、二极管导通则相当于一导线（理想状态） 或一个小电阻（非理想状态）；截止则相当 于断开的开关。
《半导体基础》课件
在温度升高或电场加强时，电 子和空穴的输运能力增强。
掺杂可以改变半导体的导电性 能，增加载流子的数量。
半导体中的热传导
01 热传导是热量在半导体中传递的过程。
02 热传导主要通过晶格振动和自由载流子传 递。
03
半导体的热传导系数受到温度、掺杂浓度 和材料类型的影响。
04
在高温或高掺杂浓度下，热传导系数会增 加。
模拟电路和数字电路中均有广泛应用。
场效应晶体管
总结词
场效应晶体管是一种电压控制型器件，利用电场效应来控制导电沟道的通断。
详细描述
场效应晶体管可分为N沟道和P沟道两种类型，通过调整栅极电压来控制源极和漏极之 间的电流。场效应晶体管具有低噪声、高输入阻抗和低功耗等优点，广泛应用于放大器
和逻辑电路中。
集成电路基础
掺杂半导体
N型半导体
通过掺入施主杂质，增加自由电子数量，提高导电能力。
P型半导体
通过掺入受主杂质，增加自由空穴数量，提高导电能力。
宽禁带半导体
碳化硅（SiC）
具有宽禁带、高临界击穿场强等特点， 适用于制造高温、高频、大功率的电子 器件。
VS
氮化镓（GaN）
具有宽禁带、高电子迁移率等特点，适用 于制造蓝光、紫外线的光电器件。
详细描述
二极管由一个PN结和两个电极组成，其单 向导电性是由于PN结的正向导通和反向截 止特性。根据结构不同，二极管可分为点接 触型、肖特基型和隧道二极管等。
双极晶体管
总结词
双极晶体管是一种电流控制型器件，具有放 大信号的功能。
详细描述
双极晶体管由三个电极和两个PN结组成， 通过调整基极电流来控制集电极和发射极之 间的电流，实现信号的放大。双极晶体管在
《半导体的基本知识》PPT课件
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小， 但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征
载流子数。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
4.杂质半导体的性质：
1.杂质半导体保持电中性 多子电荷总量=少子+离子电荷总量。
2.载流子仍为自由电子和空穴. 3.掺入杂质后，载流子浓度大大增加,导电能力 增强.多子的浓度主要由掺杂浓度决定,所以受温度影 响小.
导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。
半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
• 半导体特性
掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍
热敏特性 温度增加使导电率大为增加
半导体器件 热敏器件
光敏特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
本小 节的 有关 概念
•本征半导体、杂质半导体 •施主杂质、受主杂质 •N型半导体、P型半导体 •自由电子、空穴 •多数载流子、少数载流子
磷（P）
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
N 型半导体中的载流子是什么？
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.本征激发成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以， 自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多 数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少 子）。
# 正离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。
杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小， 但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征
载流子数。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
4.杂质半导体的性质：
1.杂质半导体保持电中性 多子电荷总量=少子+离子电荷总量。
2.载流子仍为自由电子和空穴. 3.掺入杂质后，载流子浓度大大增加,导电能力 增强.多子的浓度主要由掺杂浓度决定,所以受温度影 响小.
导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。
半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
• 半导体特性
掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍
热敏特性 温度增加使导电率大为增加
半导体器件 热敏器件
光敏特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
本小 节的 有关 概念
•本征半导体、杂质半导体 •施主杂质、受主杂质 •N型半导体、P型半导体 •自由电子、空穴 •多数载流子、少数载流子
磷（P）
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
N 型半导体中的载流子是什么？
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.本征激发成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以， 自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多 数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少 子）。
# 正离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。
20-半导体基础知识PPT模板
电工电子技术
半导体之所以被作为制造电子器件的主要材料在于它 具有热敏性、光敏性和掺杂性。
热敏性：是指半导体的导电能力随着温度的升高而迅 速增加的特性。利用这种特性可制成各种热敏元件，如热 敏电阻等。
光敏性：是指半导体的导电能力随光照的变化有显著 改变的特性。利用这种特性可制成光电二极管、光电.1 半导体的基本特性
根据导电性能的不同，自然界的物质大体可分为导体、 绝缘体和半导体三大类。其中，容易导电、电阻率小于 10-4Ω·cm的物质称为导体，如铜、铝、银等金属材料；很难 导电、电阻率大于104Ω·cm的物质称为绝缘体，如塑料、橡 胶、陶瓷等材料；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 称为半导体，如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物 等。
（2）反向偏置
给PN结加反向偏置电压，即N区接电源正极，P区接电源 负极，称PN结反向偏置，如下图所示。
由于外加电场与内电场的 方向一致，因而加强了内电场， 促进了少子的漂移运动，阻碍 了多子的扩散运动，使空间电 荷区变宽。此时，主要由少子 的漂移运动形成的漂移电流将 超过扩散电流，方向由N区指向 P区，称为反向电流。由于常温 下少子的数量很少，所以反向 电流很小。此时，PN结处于截 止状态。
（2）P型半导体
在本征半导体硅（或锗）中掺入微量三价元素硼，由 于硼原子只有3个价电子，它与周围硅原子组成共价键时， 因缺少一个价电子而形成一个空穴，相邻的价电子很容易 填补这个空穴，形成新的空穴。这种半导体导电主要靠空 穴，所以称为空穴型半导体或P型半导体，如下图所示。P 型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。
2．PN结的单向导电性
（1）正向偏置
给PN结外加正向偏置电压，即P区接电源正极，N区接电 源负极，称PN结为正向偏置，如下图所示。
半导体基本知识PPT课件
N型半导体和P型半导体
➢ 掺杂半导体分为N型半导体和P型半导体两类。在锗和硅中 掺入磷、砷、锑等V族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供 电子的作用，使这些半导体以电子导电为主。这类杂质叫做 施主杂质。以电子导电为主的杂质半导体称为N型半导体， 相应的杂质也叫做N型杂质。而在锗和硅中掺入硼、铝、镓 或铟等Ⅲ族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供空穴的作用， 使这些半导体以空穴导电为主。这类杂质叫做受主杂质。以 空穴导电为主的杂质半导体称为P型半导体。相应的杂质也 叫做P型杂质。
（l）杂质影响半导体导电性能 在室温下，半导体的电阻率在 10–4～109欧姆·厘米之间。而且，加入微量杂质能显著改变 半导体的导电能力。掺入的杂质量不同时，可使半导体的电 阻率在很大的范围内发生变化。另外，在同一种材料中掺入 不同类型的杂质，可以得到不同导电类
半导体材料的特征
2）有两种载流子参加导电 在半导体中，参与导电的载流子有 两种。一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载 流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电 子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中则 仅靠电子导电，而在电解质中，靠正离子和负离子同时材料的特征
➢ 自然界的物质，按其导电强弱，一般可分为三大类，即导体、 半导体和绝缘体。容易导电的物质称为导体，如金、银、铜、 铝等各种金属与合金都是良导体，它们的电阻率一般在10–4 欧姆·厘米以下。不容易导电的物质称为绝缘体，如橡胶、 玻璃、陶瓷和塑料等，它们的电阻率在109欧姆·厘米以上。 顾名思义，半导体的导电性介于导体和绝缘体之间。它具有 如下的主要特征。
N型半导体和P型半导体
❖一般说，施主和受主杂质均为替 位式杂质。它们掺入晶体后，要 取代晶格中硅原子的位置。见图 4- 2。
半导体的基本知识.ppt
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如硅、锗、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
2.1 半导体的基本知识
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具 有不同于其它物质的特点。例如：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
在 P 型半导体中，空 穴是多数载流子；自由电 子是少数载流子。
空穴
+4
+4
+3
+4
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负 离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。
3.杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素 ，
如磷、砷等，就会构成 N 型半导体。
P型半导体：在硅或锗的晶体中掺入少量的三
价杂质元素，如硼、镓、铟等，就会构成 P 型半导体。
1. N型半导体
因五价杂质原子中只有四个价电子 能与周围四个半导体原子中的价电子形 成共价键，而多余的一个价电子因无共 价键束缚而很容易形成自由电子。
载流子浓度分布的不均匀引起的定向 运动称为扩散运动。相应产生的电流称为 扩散电流。
小结
1. 半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的。
2. 掺入不同杂质，形成N型和P型两种杂质半导体。 N型半导体：多子是自由电子，少子是空穴； P型半导体：多子是空穴，少子是自由电子。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如硅、锗、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
2.1 半导体的基本知识
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具 有不同于其它物质的特点。例如：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
在 P 型半导体中，空 穴是多数载流子；自由电 子是少数载流子。
空穴
+4
+4
+3
+4
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负 离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。
3.杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素 ，
如磷、砷等，就会构成 N 型半导体。
P型半导体：在硅或锗的晶体中掺入少量的三
价杂质元素，如硼、镓、铟等，就会构成 P 型半导体。
1. N型半导体
因五价杂质原子中只有四个价电子 能与周围四个半导体原子中的价电子形 成共价键，而多余的一个价电子因无共 价键束缚而很容易形成自由电子。
载流子浓度分布的不均匀引起的定向 运动称为扩散运动。相应产生的电流称为 扩散电流。
小结
1. 半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的。
2. 掺入不同杂质，形成N型和P型两种杂质半导体。 N型半导体：多子是自由电子，少子是空穴； P型半导体：多子是空穴，少子是自由电子。
半导体基础知识PPT
03
半导体器件
二极管
工作原理
二极管是由一个PN结组成的电子器件， 具有单向导电性。在正向偏置时，电流可 以流通；而在反向偏置时，电流被阻止。
应用
类型
常见的二极管类型有硅二极管和锗二 极管，它们在电气性能上略有差异。
二极管在电子线路中广泛应用，如整 流、检波、开关等。
三极管
1 2
工作原理
三极管是由两个PN结组成的电子器件，具有电 流放大作用。通过调整基极电流，可以控制集电 极和发射极之间的电流。
感谢观看
半导体的导电机制主要是由其 内部的电子和空穴的运动决定 的。
半导体的特性
半导体材料的导电能力受温度、光照、电场等因素影响，具有热敏、光敏、掺杂等 特点。
半导体的电阻率可在很大范围内变化，通过改变温度、光照、电场等条件，可以控 制其电阻率的变化。
半导体的载流子类型和浓度决定了其导电性能，可以通过掺杂等方式改变载流子类 型和浓度。
物理沉积
通过物理过程如真空蒸发、溅 射等，将所需材料沉积在晶圆
表面形成薄膜。
化学气相沉积
利用化学反应在晶圆表面生成 所需材料的薄膜。
外延生长
在单晶基底上通过控制温度、 气体流量等参数，使薄膜按照 单晶的晶体结构生长。
离子注入
将离子化的材料注入到晶圆内 部的特定区域，形成具有一定
特性的薄膜。
掺杂与刻蚀
功耗具有重要意义。
集成电路设计
01
02
03
人工智能辅助设计
利用人工智能技术进行集 成电路自动化设计，提高 设计效率和准确性。
异构集成技术
将不同工艺类型的芯片集 成在一个封装内，实现高 性能、低功耗的系统级芯 片。
定制化设计
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思考：题既然P型半导体的多数载流子是空穴， 少数载流子是自由电子，所以，P型半导体带正 电。此说法正确吗？
N型半导体 ：在本征半导体中参入微量五价元 素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.5 所示。常用的三价元素的杂质有磷、砷和锑等。
施主杂质：因为五价元素的杂质在半导体中能 够产生多余的电子，故称之为施主杂质或N型杂质。
内容简介 习题解答
内容简介
1. 半导体材料
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 导 体：ρ<10－4Ω·cm 绝缘体：ρ>109Ω·cm
半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。
2. 半导体的晶体结构
典型的元素半导体有硅Si和锗Ge ，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs 等。
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空穴：共价键中的空位。 电子空穴对：由本征激发（热激发）而产
生的自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子
空穴对。所以，在本征半导体中： ni=pi （ni－ 自由电子的浓度；pi－空穴的浓度）。
K1—常数，硅为3.8710-6K-3/2/cm3，锗为 1.7610-6 K-3/2/cm3 ；T—热力学温度；EGO—禁带宽 度，硅为1.21eV，锗为0.785eV ；k—波耳兹曼常 数，8.63 10-5 eV/K。（e—单位电荷，eV=J）
1.PN结加正向电压 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正
向扩散电流， PN结导通。其示意图如 图1.1.7所示。
2. PN结加反向电压 PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反
向漂移电流，PN结截止。其示意图如 图1.1.8所示。
3. PN结的单向导电 PN结加正向电压（正偏）时导通；加反向电压
半导体的导电性能是由其原子结构决定的，就元素半导体硅和锗而言， 其原子序数分别为14和32，但它们有一个共同的特点：即原子最外层的电子 （价电子）数均为4，其原子结构和晶体结构如图1.1.1所示。
3.本征半导体
本征半导体：化学成分纯净、结构完整的半导体。它在物理结构上呈单晶 体形态。
本征激发(热激发）:受温度、光照等环境因素的影响，半导体共价键中的 价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象，称之为本 征激发（热激发）（见图1.1.2）。
4.杂质半导体 杂质半导体：在本征半导体中参入微量的杂质
形成的半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导 体分为P型（空穴型）半导体和N型（电子型）半 导体。由于参杂的影响，会使半导体的导电性能 发生显著的改变。
P型半导体 ：在本征半导体中参入微量三价元 素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.4 所示。常用的三价元素的杂质有硼、铟等。
（反偏）时截止的特性，称为PN结的单向导电性。
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三.PN结的特性曲线
1. PN结的V-I 特性表达式
iD IS (evD / nVT 1)
(1.1.2)
式中，IS —反向饱和电流； n —发射系数，与PN 结的的尺寸、材料等有关，其值为1~2；VT —温 度的电压当量，且在常温下（T=300K）:
（1）两种载流子的产生与复合，在一定温度下达到动态平衡，则ni=pi的 值一定；
（2）ni与pi 的值与温度有关，对于硅材料，大约温度每升高8oC，ni 或pi 增加一倍；对于锗材料，大约温度每升高12 oC，ni 或pi 增加一倍。
载流子：能够参与导电的带电粒子。
空白半导体中载流子的移动 ：如图1.1.3所示。从图中可以看出，空穴可以看成 是一个带正电的粒子，和自由电子一样，可以在晶体中自由移动，在外加电场下， 形成定向运动，从而产生电流。所以，在半导体中具有两种载流子：自由电子和 空穴。
受主杂质：因为三价元素的杂质在半导体中能 够接受电子，故称之为受主杂质或P型杂质。
多子与少子：P型半导体在产生空穴的同时，并不 产生新的自由电子，所以控制参杂的浓度，便可控 制空穴的数量。在P型半导体中，空穴的浓度远大于 自由电子的浓度，称之为多数载流子，简称多子； 而自由电子为少数载流子，简称少子。
ni = pi =1.4×1010/cm3
• 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
ni=5×1016/cm3
• 本征硅的原子浓度:
4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
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小结 本讲主要介绍了下列半导体的基本概念： ➢ 本征半导体 ➢ 本征激发、空穴、载流子 ➢ 杂质半导体 ➢ P型半导体和N型半导体 ➢ 受主杂质、施主杂质、多子、少子
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3. PN结的反向特性
图1.1.10 PN结的反 向特性
硅管
-IS 锗管
反向电流： 在一定温度下， 少子的浓度一定，当 反向电压达到一定值 后，反向电流IR 即为 反向饱和电流IS，基本 保持不变。 反向电流受温度 的影响大。
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4. PN结的反向击穿特性
5. PN结
一.PN结的形成
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, 分别形成P型半导体和N型半导体。此时将在P型半 导体和N型半导体的结合面上形成的物理过程示意 图如图1.1.6所示。
二.PN结的单向导电性
正偏与反偏：当外加电压使PN结中P区的电位 高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反 之称为加反向电压，简称反偏。
在N型半导体中，自由电子为多数载流子，而 空穴为少数载流子。
综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子的数量比本征半导体
有相当程度的增加，尽管参杂的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很
大，使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。 掺杂 对本征半导体的导
电性的影响，其典型数据如下:
• T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
VT = kT/q = 0.026V =26mV
2. PN结的正向特性
死区电压Vth 硅材料为0.5V左右； 锗材料为0.1V左右。
导通电压Von 硅材料为0.6~0.7V左 右；锗材料为 0.2~0.3V左右。
图1.1.9 PN结的正向特性
Is=10-8A VT=26mV n =2
死区电压
导通电压
N型半导体 ：在本征半导体中参入微量五价元 素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.5 所示。常用的三价元素的杂质有磷、砷和锑等。
施主杂质：因为五价元素的杂质在半导体中能 够产生多余的电子，故称之为施主杂质或N型杂质。
内容简介 习题解答
内容简介
1. 半导体材料
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 导 体：ρ<10－4Ω·cm 绝缘体：ρ>109Ω·cm
半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。
2. 半导体的晶体结构
典型的元素半导体有硅Si和锗Ge ，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs 等。
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空穴：共价键中的空位。 电子空穴对：由本征激发（热激发）而产
生的自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子
空穴对。所以，在本征半导体中： ni=pi （ni－ 自由电子的浓度；pi－空穴的浓度）。
K1—常数，硅为3.8710-6K-3/2/cm3，锗为 1.7610-6 K-3/2/cm3 ；T—热力学温度；EGO—禁带宽 度，硅为1.21eV，锗为0.785eV ；k—波耳兹曼常 数，8.63 10-5 eV/K。（e—单位电荷，eV=J）
1.PN结加正向电压 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正
向扩散电流， PN结导通。其示意图如 图1.1.7所示。
2. PN结加反向电压 PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反
向漂移电流，PN结截止。其示意图如 图1.1.8所示。
3. PN结的单向导电 PN结加正向电压（正偏）时导通；加反向电压
半导体的导电性能是由其原子结构决定的，就元素半导体硅和锗而言， 其原子序数分别为14和32，但它们有一个共同的特点：即原子最外层的电子 （价电子）数均为4，其原子结构和晶体结构如图1.1.1所示。
3.本征半导体
本征半导体：化学成分纯净、结构完整的半导体。它在物理结构上呈单晶 体形态。
本征激发(热激发）:受温度、光照等环境因素的影响，半导体共价键中的 价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象，称之为本 征激发（热激发）（见图1.1.2）。
4.杂质半导体 杂质半导体：在本征半导体中参入微量的杂质
形成的半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导 体分为P型（空穴型）半导体和N型（电子型）半 导体。由于参杂的影响，会使半导体的导电性能 发生显著的改变。
P型半导体 ：在本征半导体中参入微量三价元 素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.4 所示。常用的三价元素的杂质有硼、铟等。
（反偏）时截止的特性，称为PN结的单向导电性。
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三.PN结的特性曲线
1. PN结的V-I 特性表达式
iD IS (evD / nVT 1)
(1.1.2)
式中，IS —反向饱和电流； n —发射系数，与PN 结的的尺寸、材料等有关，其值为1~2；VT —温 度的电压当量，且在常温下（T=300K）:
（1）两种载流子的产生与复合，在一定温度下达到动态平衡，则ni=pi的 值一定；
（2）ni与pi 的值与温度有关，对于硅材料，大约温度每升高8oC，ni 或pi 增加一倍；对于锗材料，大约温度每升高12 oC，ni 或pi 增加一倍。
载流子：能够参与导电的带电粒子。
空白半导体中载流子的移动 ：如图1.1.3所示。从图中可以看出，空穴可以看成 是一个带正电的粒子，和自由电子一样，可以在晶体中自由移动，在外加电场下， 形成定向运动，从而产生电流。所以，在半导体中具有两种载流子：自由电子和 空穴。
受主杂质：因为三价元素的杂质在半导体中能 够接受电子，故称之为受主杂质或P型杂质。
多子与少子：P型半导体在产生空穴的同时，并不 产生新的自由电子，所以控制参杂的浓度，便可控 制空穴的数量。在P型半导体中，空穴的浓度远大于 自由电子的浓度，称之为多数载流子，简称多子； 而自由电子为少数载流子，简称少子。
ni = pi =1.4×1010/cm3
• 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
ni=5×1016/cm3
• 本征硅的原子浓度:
4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
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小结 本讲主要介绍了下列半导体的基本概念： ➢ 本征半导体 ➢ 本征激发、空穴、载流子 ➢ 杂质半导体 ➢ P型半导体和N型半导体 ➢ 受主杂质、施主杂质、多子、少子
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3. PN结的反向特性
图1.1.10 PN结的反 向特性
硅管
-IS 锗管
反向电流： 在一定温度下， 少子的浓度一定，当 反向电压达到一定值 后，反向电流IR 即为 反向饱和电流IS，基本 保持不变。 反向电流受温度 的影响大。
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4. PN结的反向击穿特性
5. PN结
一.PN结的形成
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, 分别形成P型半导体和N型半导体。此时将在P型半 导体和N型半导体的结合面上形成的物理过程示意 图如图1.1.6所示。
二.PN结的单向导电性
正偏与反偏：当外加电压使PN结中P区的电位 高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反 之称为加反向电压，简称反偏。
在N型半导体中，自由电子为多数载流子，而 空穴为少数载流子。
综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子的数量比本征半导体
有相当程度的增加，尽管参杂的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很
大，使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。 掺杂 对本征半导体的导
电性的影响，其典型数据如下:
• T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
VT = kT/q = 0.026V =26mV
2. PN结的正向特性
死区电压Vth 硅材料为0.5V左右； 锗材料为0.1V左右。
导通电压Von 硅材料为0.6~0.7V左 右；锗材料为 0.2~0.3V左右。
图1.1.9 PN结的正向特性
Is=10-8A VT=26mV n =2
死区电压
导通电压